激光窄間隙焊接側壁未熔合缺陷的研究

黑龍江農業工程職業學院 武祎

隨著我國經濟的快速發展，在船舶制造、海洋工程、核電設備、石油化工、重型機械、航空航天等工業領域對高性能大厚板的結構需求越來越大，厚度也越來越厚。由于厚度和板面要求都越大，用軋制的方法很難實現，現在多采用使用焊接的方法拼接而成。

厚板的應用范圍越來越多,相應的對厚板的焊接技術要求也越來越高,不但要求保證焊接質量，而且要求降低焊接成本，提高焊接生產效率。焊接技術作為厚板連接的一個關鍵生產工藝，將極大地影響到厚鋼板的推廣和使用。傳統上對于板厚超過20mm的大厚板，廣泛地采用了窄間隙SAW/GMAW焊接方法，此時需要開坡口進行多層焊接，隨著板厚的增加，焊接的層數增加，由于電弧能量密度較低的特性使得在生產中準備工序和焊接加工的時間增加，生產效率下降和焊接成本增加，同時由于輸入的線能量大，HAZ大，導致焊后變形大，焊接接頭力學性能下降。

針對這樣的情況，國際上趨勢對于具有高質量要求的大厚度板材現在多采用激光窄間隙焊接方法進行焊接。激光窄間隙焊接方式在焊接高質量厚板接頭時具有極大的優越性，但由于存在未熔合等問題至今未得到全面廣泛的推廣，近年來許多學者對其進行深入的研究，而尚未得到統一的認識，因此針對不銹鋼厚板的激光窄間隙焊接缺陷問題進行研究具有一定的研究意義及應用價值。在眾多的焊接方法之中，窄間隙激光焊接因為集中了窄間隙焊接和激光焊接的優勢，被公認為最具潛力的高質量厚板焊接方法之一，受到各國重視。但是窄間隙激光焊接方法存在著側壁未熔合問題嚴重，氣體保護效果不良等問題，嚴重制約著窄間隙激焊接的應用。

1 側壁未熔合的形貌

未熔合是指焊縫金屬與母材金屬，或焊縫金屬之間未熔化結合在一起的缺陷。按其所在部位，未熔合可分為坡口未熔合，層間未熔合和根部未熔合三種形式。未熔合是一種面積型缺陷，坡口未熔合和根部未熔合對承載截面積的減小都非常明顯，應力集中也比較嚴重，其危害性僅次于裂紋。

利用IPG6000光纖激光器對304不銹鋼板進行焊接，激光功率為4000W,焊接速度0.5m/min，送絲速度4 m/min，保護氣體流量計20L/min，激光光斑直徑為4.2 mm。采用氬氣保護。20mm厚鋼板采用六層焊接方式可填滿整個焊縫，每層焊縫高度約3.5 mm。圖1為在以上參數下的同一個接頭的兩處截面的金相圖，由圖1可知，在不同焊道的底部及側壁都出現了較為明顯的氣孔和未熔合缺陷。雖然未熔合氣孔的數量不多，但未熔合直徑較大，對焊接接頭的強度會造成較大影響。

氣孔與未熔合的區別在于，一般氣孔所在焊縫的位置較為居中，是由于氣泡未能及時逸出導致，而未熔合主要在焊縫根部或側壁，主要由于金屬未得到充分熔化而產生了間隙，以氣孔形式存留。由圖1可知，在左圖中底部為焊接氣孔，因為其在兩層焊道中間，并未看出有任何的熔化不充分現象，而側壁的氣孔則為側壁未熔合缺陷，由于其與側壁的距離非常近，緊挨母材，這顯然是由于坡口的側壁未被熔池金屬完全熔化導致了不浸潤情況產生，而使得氣泡無法逸出。

圖1 底部未熔合及側壁未熔合分布形貌

對側壁未熔合進行掃描電鏡的觀察，以得到其最終的形貌。由圖2可知，未熔合形貌為不規則的圓形，其直徑約為0.2 mm，其緊貼在母材一側的側壁與其另一側壁形態有所不同，有未經熔化的殘渣，說明其由于能量不足，使得這一側壁溫度較低，而產生了氣孔，其與側壁的距離很近，不足0.1mm。這也是由于窄間隙坡口形式具有散熱能力強的特點，使得側壁能量極易傳遞給母材，而導致側壁能量不夠集中，側壁熔化不夠充分產生側壁未熔合的原因。

圖2 側壁未熔合的顯微形貌

2 側壁未熔合中的裂紋

對側壁未熔合內壁的殘留物質進行了觀察，發現了在側壁未熔合內壁不僅存留著殘渣還有裂紋的出現。

圖3為側壁未熔合缺陷內壁形貌，由圖可知，在側壁未熔合內壁中出現了大小不一的球形殘渣，球形殘渣緊貼著未熔合內壁，可能是由于焊接過程中熔融金屬飛濺以及氧化物在氣泡中殘留所致。這也與側壁未熔合所處位置的溫度較低而未使全部金屬熔合在一起有關。另外，在圖3右上角可觀察到明顯的裂紋存在。裂紋長度約為整個側壁未熔合周長的一半，可清楚看到有兩根長度相似的裂紋存在。這種裂紋一方面可能會與304不銹鋼中的合金成分在表面聚集，使金屬的脆性增加有關，另一方面也與氣泡中所含有的氣體，如可能含少量的氫氣，而會使金屬表面產生氫致裂紋有關。

圖3 側壁未熔合缺陷中的裂紋

3 側壁未熔合的成分分布

圖4為側壁未熔合與熔合線間的組織形貌,由圖4可知側壁未熔合與熔合線之間距離非常近，幾乎已經連接在一起。側壁未熔合與熔合線間的組織形貌與焊縫內部有顯明不同，其晶界不顯明，且有明顯未熔化的痕跡，所以這是熱影響區組織的特點，說明了在側壁未熔合接近母材一端，組織晶界不明顯而不完整，再現熱影響區的組織特點，證明了確實是由于側壁熔化不充分導致的氣泡未及時逸出，產生側壁未熔合，而非焊接氣孔缺陷。

圖4 未熔合與熔合線間的組織

對側壁未熔合內壁的某一點進行能譜分析，能譜儀型號為EDAX Genesis 7000型能譜儀(EDS)。由結果可知，激光窄間隙焊接側壁未熔合內壁的合金成為與母材金屬的合金成分和比例都相差較大。鉻、錳等奧氏體化金屬成分含量明顯偏大，兩者占了總質量的80%，說明確實存在合金元素在表面富集的現象，這也是出現裂紋的原因之一。鎳及鐵的含量較少，只占到全部質量的5%。另外氧的含量也較多，占到全部質量的約5%，這說明氣泡中含有一定量的氧化物或者水分，這與焊接過程中的保護質量有關，可能在焊接中混入了氧氣或水蒸氣。由此可知，側壁未熔合內壁大量合金元素的聚集會造成焊縫金屬合金成分的分布不均勻，而使焊縫金屬強度性能下降；另一方面，這種成分的不均勻也會是焊接裂紋的起源點，會導致其他缺陷的產生。

4 小結

本文將首先從未熔合的形貌觀察及成分分析方面入手，了解側壁未熔合的組成及形成原因。通過觀察發現激光窄間隙填絲焊接過程中出現的多數側壁未熔合缺陷形狀為不規則圓形，直徑約0.1～0.3 mm，其與側壁相鄰，其緊貼在母材一側的側壁與其另一側壁形態有所不同，有未經熔化的殘渣。在側壁未熔合內壁中出現了大小不一的球形殘渣，且有裂紋出現在未熔合內壁中。最終得到了激光窄間隙填絲焊接未熔合形貌、構成及成分分析，為提高厚板激光窄間隙焊接質量，避免焊接未熔合缺陷的產生提供理論依據。